Гравиметрический мониторинг территории разработки Верхнекамского месторождения калийных солей

В статье представлены результаты мониторинговых гравиметрических наблюдений, позволяющие существенно повысить эффективность исследования плотностного строения толщи Верхнекамского калийного месторождения. Приведены примеры гравиметрических исследований на аварийных участках рудников. Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС), расположенное в пределах Пермского края, является единственной сырьевой базой калийной промышленности России [1]. Благодаря масштабам и практическому значению месторождения изучению его геологического строения всегда уделялось большое внимание. Немаловажную роль в комплексе геолого-геофизических методов играют гравиметрические исследования. Месторождение расположено в Соликамской впадине Пред-уральского прогиба, находящегося на активной границе геоблоков Восточно-Европейской платформы и складчатой системы Урала [2]. Естественное напряженно-геодинамическое состояние недр на территории Соликамской впадины осложняется активной добычей калийно-магниевых солей. Динамика развития современной тектоники и эксплуатация месторождения, приводящие к изменению плотностного строения недр [3], находят свое отражение в гравитационном поле. Гравиметрические исследования на ВКМКС начаты в 1920-1930-х годах. К концу 1990-х годов практически вся территория месторождения была покрыта гравиметрическими съемками масштаба 1:50 ООО и 1:25 ООО (рис.1). В результате интерпретации гравиметрических материалов с учетом имеющейся геолого-геофизической информации построена карта поверхности соляной толщи, уточнены контуры крупных соляных структур, изучено строение подсолевых отложений, проведено тектоническое районирование. С начала 1990-х годов совершенствование инструментальной базы гравиметрических исследований, развитие методов назем-но-подземной гравиметрии и создание современных программно-алгоритмических комплексов обработки и интерпретации результатов съемок существенно расширили возможности гравиметрической разведки для изучения геологического строения соляной и надсоляной толщ ВКМКС [3]. На новом этапе целью исследований явилось уже не только решение задач по изучению строения месторождения, но и обеспечение безопасности его освоения посредством выявления в горном пространстве разуплотненных и трещиноватых зон, которые обладают ослабленными механическими свойствами. К настоящему времени детальные гравиметрические исследования проведены на большей части территории ВКМКС (см. рис. 1). С помощью гравиметрической разведки решались геологические задачи в основном двух видов: выявление участков повышенной опасности, т. е. участков пониженной плотности пород с ослабленными механическими свойствами в водозащитной толще до проведения горных работ, изучение и уточнение деталей геологического строения с прогнозированием геодинамических условий на конкретных участках месторождения в неподработанном массиве; изучение изменения плотностной характеристики геологической среды под воздействием горных работ, наблюдения за динамикой разрушения. Повышение информативности гравиметрического метода исследований ВКМКС достигается путем применения высокоточной гравиметрической и топографо- геодезической аппаратуры и разработанного в Горном институте УрО РАН принципиально нового метода интерпретации потенциальных полей Vector, позволяющего создавать трехмерную плотностную модель геологической среды, адекватную полю силу тяжести и имеющейся геологической информации. Необходимая детальность обеспечивается проведением высокоточных крупномасштабных съемок масштаба 1:5 ООО и 1:10 ООО. Существенно возрастают возможности изучения плотностного строения горного массива и выделения источников поля при на-земно-подземной гравиметрической съемке, разработанной в Горном институте для условий конкретного месторождения. В данном случае гравиметрическая съемка позволяет по гравитационному полю, измеренному на разных гипсометрических уровнях, выявить пространственное положение плотностных неоднородностей и определить их количественные параметры. Метод дает возможность интерпретировать совмещенные в одной плоскости наземный и подземный профили (двухмерный вариант) и площадные съемки, проведенные на разных уровнях (трехмерный вариант). С целью выявления вариаций силы тяжести, связанных с техногенным воздействием на геологическую среду, на ВКМКС проводятся повторные и мониторинговые гравиметрические наблюдения. Мониторинговые наблюдения поля силы тяжести отражают динамику процессов деформации породных масс и позволяют осуществить прогноз опасных и катастрофических ситуаций. По результатам повторных наблюдений рассчитывается динамическая аномалия силы тяжести, определяемая как разность между ее последующими и предыдущими значениями. Особенностью подобных аномалий является их независимость от влияния рельефа земной поверхности, стационарных (неизменных) плотностных неоднородностей в массиве, обусловленных геологическим строением, и т. п. Поскольку все неизменные составляющие гравитационного поля в равной степени присутствуют в любой паре наблюдений, динамическая аномалия соответствует конкретному горнотехническому процессу. Особенно эффективным является проведение мониторинговых [повторных] наблюдений на участках аварийных ситуаций: на Третьем Березниковском руднике, где в 1986 г. произошел прорыв вод в шахту с последующим формированием провала в земной поверхности и затоплением рудника; в 1995 г. на Втором Соликамском руднике - для изучения ситуации на участке катастрофического обрушения пород в горных выработках, сопровождавшегося формированием мульды оседания на земной поверхности; на Втором Березниковском руднике - в районе сейсмического явления, произошедшего в 1997 г. В 2001 году проведены детальные исследования в южной части Березниковского соляного купола на границе отработанного пространства Первого Березниковского рудника, где на земной поверхности сформировалась серия канавообразных провалов. В 2006 г. гравиметрические наблюдения выполнены в районе первого провала земной поверхности на Первом Березниковском руднике; в 2010-2011 гг. - в районе второго и третьего провалов на этом же руднике. В последнем случае проведено три цикла гравиметрических наблюдений: в декабре 2010 г. после провала земной поверхности на железнодорожных путях; в феврале 2011 г. с целью изучения динамики геологических процессов, происходящих в районе провала и на соседней территории; в сентябре 2011 г. в зоне повышенных оседаний земной поверхности к северу от провала. В декабре 2010 г. детальная гравиметрическая съемка проведена на участке площадью 0,9-1,1 км по сети 50-50 м. В районе провала выявлена отрицательная аномалия силы тяжести диаметром порядка 250 м и амплитудой 0,2 мГал (рис. 2, э). Совместный анализ результатов гравиметрической съемки и геологической ситуации позволил сделать вывод, что конкретная причина провала земной поверхности заключается в формировании пустотного очага в надсоляной толще. На трансформантах гравитационного поля выделены цепочки отрицательных аномалий, ориентированных на север от провала. Повторная съемка на этом участке проведена через два месяца. За этот период амплитуда отрицательной аномалии поля Ад в районе провала увеличилась с 0,2 до 0,3 мГал (см. рис. 2, а). Это соответствует уменьшению плотности в очаге разуплотнения на 50 %. Таким образом, было зафиксировано наличие интенсивных процессов, происходящих в районе провала. Расположение этого аварийного участка приурочено к ложбине в кровле соляного тела, протягивающейся на север от провала. На таких участках локализуется горизонтальный водный поток, выносящий компоненты глинисто- мергелистых пород и формирующий вдоль ложбины участки разуплотненных пород и трещиноватости. Выделенные цепочки отрицательных аномалий Ад на трансформантах гравитационного поля вдоль ложбины отражают наличие разуплотненных областей в надсоляной толще. Формирование пустотного пространства в надсоляной толще в районе провала обусловлено совместным влиянием нескольких факторов. Во-первых, как сказано выше, приуроченностью данного участка к ложбине кровли соли на крутом склоне соляного поднятия, где интенсивные деформации (провисания) испытывала и испытывает до настоящего времени надсоляная толща. Крутой склон соляного тела и наличие ложбины - это природные факторы, создающие сложную картину напряженно-деформирован-ного состояния надсоляной толщи. Во- вторых, сложная конфигурация панелей отработки разноглубинных калийных пластов, нагрузки от расположенного вблизи солеотвала, а также наличие в этом районе железнодорожного узла с пульсирующими нагрузками обусловили дополнительные техногенные напряжения. В сентябре 2011 г. в зоне повышенных оседаний земной поверхности к северу от провала вновь проведена гравиметрическая съемка, по результатам которой выявлена динамическая аномалия силы тяжести (см. рис. 2, б), свидетельствующая о продолжении процесса разуплотнения пород. Динамическая аномалия пространственно совпадает с ранее выявленной локальной отрицательной аномалией силы тяжести. Дальнейшее развитие событий привело к образованию еще одного (третьего на БКПРУ-1) провала земной поверхности в пределах обнаруженной цепочки отрицательных аномалий гравитационного поля и динамической аномалии. Совместный анализ трансформант гравитационного поля и его вариаций во времени показал, что на изученном участке в районе провалов земной поверхности выделяются три геодинамические зоны, каждая из которых имела свою геологическую историю развития и приобрела своеобразное плотностное строение. Первая зона - область свода соляного поднятия с разрыхленной надсоляной толщей (нагнетание соляных масс в галогенной толще с поднятием кровли соляного тела и горизонтальное растяжение надсоляной толщи, инфильтрация в надсоляной толще]. Вторая - область склона соляного поднятия с цепочками локальных отрицательных аномалий, ориентированных поперек склона (области разрыхления в надсоляной толще и локальных водных потоков вниз по ложбинам соляного склона). В этой геодинамической зоне и сформировались второй и третий провалы. И, наконец, третья зона - область эвакуации соляных масс с понижением кровли соли, провисанием и интенсивным разрыхлением надсоляного массива. Таким образом, карты аномалий силы тяжести, полученные при мониторинговых гравиметрических работах, отражают не только морфологию поверхности соляного зеркала, но и плотностное строение соляной и надсоляной толщ, а также динамику их развития. Опыт работ на ВКМКС показал, что наиболее опасные ситуации при производстве горных работ возникают над впадинами кровли соли. Галокинез приводил к поднятию или погружению продуктивной и надсоляной толщ, при этом надсоляная толща, состоящая из жестких пород, деформировалась, что сопровождалось физическими и химическими преобразованиями. Реализация гравиметрических исследований на ВКМКС внесла определенный вклад в изучение картины плотностной неоднородности верхней части разреза и в обеспечение безопасности его разработки. Результаты мониторинговых гравиметрических наблюдений позволяют анализировать процессы перераспределения масс в водозащитной толще и выделять участки повышенной опасности при отработке продуктивных пластов. С. Г. Бычков, Г. В. Простолупов, Г. П. Щербинина Материал опубликован в журнале "Горный журнал", 6/2013 Promvest.info 2013.06.24 15:04